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雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：2018 年 4 月 14 日-15 日，中國圖象圖形學學會圍繞「生物特征識別」這一主題，在中科院自動化所成功舉辦了第四期「CSIG 圖像圖形學科前沿講習班」。
生物特征識別（BIOMETRICS），是指通過計算機利用人體所固有的生理特征（指紋、虹膜、面相、DNA等）或行為特征(步態(tài)、擊鍵習慣等)來進行個人身份鑒定的技術(shù)。
本期講習班邀請有曠視科技首席科學家孫劍，中科院研究員孫哲南、山世光、赫然、王亮，清華副教授馮建江、徐明星，中山大學教授鄭偉詩等八位學者分別就人臉、虹膜、指紋、步態(tài)、音紋等人體特征的研究現(xiàn)狀做了詳細報告。
雷鋒網(wǎng)在本文中將對 14 日孫劍、孫哲南、赫然、馮建江的 4 場精彩報告進行介紹。15 日的精彩報告見下篇文章。
曠視科技的首席科學家、曠視研究院院長孫劍做了首場報告，在一個多小時的時間里孫劍主要介紹了他在視覺領(lǐng)域的一些核心工作。
孫劍博士在報告中介紹道他們計算機視覺的主要任務(wù)是理解圖片，挖掘圖片中的價值，例如人臉、動作、文字等。他將自己在視覺領(lǐng)域的核心工作分為分類檢測、分割學習、區(qū)分學習，對圖像層、區(qū)域?qū)雍拖袼貙拥淖R別。同時，他也介紹了圖像識別的發(fā)展過程。
最早做圖像識別的方法是建模——數(shù)學簡單建模或者基于統(tǒng)計的建模。之后引入了學習的方法，但由于當時計算能力很弱，這種方法下的自然圖像識別效果并不好。再然后就有了 Feature based 的方法，首先提取圖像的各種特征進行量化，最后再做一個分類器進行識別或者特征提取。這個方法對于識別性能的提升并不高，優(yōu)化很困難，所以并不被當時的研究者看好。
2006 年時出現(xiàn)了一些新變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練在語音識別領(lǐng)域表現(xiàn)比較好，然后在圖像領(lǐng)域也取得了一些突破性的進展。但優(yōu)化困難、訓練錯誤的問題還是存在。直至 2015 年，孫劍博士團隊在微軟研發(fā)出 resnet，可以直接訓練上百層的網(wǎng)絡(luò)，同時極大地降低了訓練錯誤率。孫劍博士簡單概括 resnet 的原理是在系統(tǒng)非常深、層數(shù)比較多時進行變換，一是直接學習變換，二是學習殘差信號。其中殘差網(wǎng)絡(luò)更容易優(yōu)化。
以上是識別問題，孫劍博士還提到一個比較重要的問題——檢測問題。伯克利的博士后羅斯在這個領(lǐng)域上做出了突破性工作，他使用位置分類，使用位置框?qū)⑽矬w框出來，這個方法將檢測性能提升了很多倍，目前使用廣泛。羅斯為優(yōu)化檢測問題進一步提出將 feature 納入學習的方法，孫建博士團隊提出了 Faster-RCNN 解決該方法遇到的計算量問題。當前 Faster-RCNN 也是大家廣泛使用的方法。
孫劍博士補充道在應(yīng)用方面，無論是安防還是零售，跨攝像頭追蹤都是一項比較重要的工作。為了讓他們團隊的 ReID 模型正確的學習，他們引入了動態(tài)規(guī)劃的方法。這種方法表現(xiàn)出的效果很好，甚至可以超過人。同時該方法也適用于分割問題。
孫劍博士認為研究生物識別還有一個比較重要的問題是研究如何在不同的環(huán)境中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。這里他介紹的他們的另一項工作 ShuffleNet。這項工作已經(jīng)被應(yīng)用到手機的人臉識別和 AI 相機等功能上面。AI 相機的自動調(diào)焦、曝光等功能充分證明了 ShuffleNet 即使是在手機的計算能力下也可以表現(xiàn)的很好。
報告最后孫劍博士介紹自己的研究方向是認知智能，之后會著力提升模型的推廣能力。
接著中科院自動化所研究員孫哲南做了關(guān)于虹膜識別的報告。
孫哲南研究員介紹了虹膜識別的概念。虹膜是黑色瞳孔和白色鼓膜之間的區(qū)域，虹膜的尺寸比較小但信息量非常的大。因為虹膜不具備基因遺傳性，容易受到發(fā)育環(huán)境的影響。且虹膜在發(fā)育到一定階段后非常穩(wěn)定，所以虹膜的紋理具有很強的唯一性。
接著他介紹了虹膜識別的特殊優(yōu)勢，首先就是很高的唯一性，其次就是使用的廣泛性。在超大規(guī)模人群中，虹膜識別具有獨特的優(yōu)勢，因此在門禁、機場、邊檢口岸等有廣泛的應(yīng)用，目前最大的虹膜識別應(yīng)用當屬印度的身份證系統(tǒng)。印度的 UID 項目已經(jīng)采集了 12 億的虹膜特征，經(jīng)過大規(guī)模的應(yīng)用測試，事實證明虹膜識別精度很高，且識別速度很快。
整個虹膜識別的標準流程包括三個。第一是采集，第二是預處理，第三是分析與對比。其中采集部分需要用到光學等模塊包括鏡紅外主動光，需要 CCD 和 CMOS，還需要人機交互模塊以及視覺反饋模塊。在虹膜采集過程中他們一般采用多模態(tài)的生物特征識別，包括人臉，這樣可以進行多模態(tài)的身份驗證。
虹膜獲取之后就是預處理環(huán)節(jié)。預處理的第一步是虹膜的檢測，檢測主要是確定虹膜的位置，以及虹膜精確的邊界。預處理的第二步是活體虹膜的檢測，主要是防止虹膜造假。孫哲南團隊為此提出了一個層次化的分類方法，這種方法在人種分類、活體分類以及數(shù)據(jù)庫檢索方面表現(xiàn)良好。第三步是虹膜質(zhì)量評價。最后虹膜預處理還需解決虹膜紋理的非線性縮變。
預處理結(jié)束就可以進行虹膜圖像特征的提取與比對。對于目標特征的提取和識別，孫哲南團隊提出了質(zhì)量測量特征。為了解決提取噪聲問題，他們提出了定性變量的方法，提取之后的對比問題上，他們采用基于全連接的連接的方法，一舉解決了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比對速度慢的問題
在介紹完技術(shù)后，孫哲南研究員將虹膜識別的發(fā)展歷史概括為如下七個階段：
一：近距離，人不動，人配合機器
二：人不動，主動配合
三：人不動，遠距離識別
四：距離遠，但機器配合人
五：人移動也能識別
六：移動中主動抓拍識別
七：監(jiān)控場景多攝像頭抓拍識別
孫哲南研究員總結(jié)到現(xiàn)在使用深度學習的方法可以在分割、屬性分析、識別等方面得到更加精確的結(jié)果。但是還有很多技術(shù)難題需要攻克，比如一次識別多個虹膜等。
赫然研究員在下午做了人臉圖像編輯的報告。
人臉圖像編輯即是通過機器對圖像進行處理得到一些新的圖像。這項技術(shù)目前在日常生活中擁有廣泛的應(yīng)用，如照片美化等。
人臉編輯涉及光譜變換、屬性遷移、年齡變換、圖像生成等方面的內(nèi)容。理論基礎(chǔ)涉及全光人臉分析、視覺拓撲優(yōu)先、生成對抗結(jié)構(gòu)、身份保持結(jié)構(gòu)等。人臉采集會應(yīng)用到全光函數(shù)，赫然研究員介紹道人臉編輯的目標是符合人的視覺認知，人類視覺認知涉及拓撲感知機制。
至于圖片生成算法的最基本的理念則是對話生成網(wǎng)絡(luò)，其中最基本的概念就是 GAN。這個模型分為生成式模型和判別式模型。通過生成器與判別器的博弈來生成盡量真實的圖像。
在生成器生成過程中涉及到身份保持的問題，即生成男性圖像不會變?yōu)榕浴：杖谎芯繂T采用定距度量的方式，同時借鑒了神經(jīng)學中的側(cè)向抑制來解決該問題。
目前赫然研究員的工作開放了兩個版本，一個是 LightCNN9，另一個是 LightCNN29。這兩個都是通用模型，且在所有公開數(shù)據(jù)中都取得了最好的結(jié)果。
接下來赫然研究員介紹了他們研究中心的相關(guān)工作，包括超分辨率、視角旋轉(zhuǎn)、上妝去妝、表情編輯、年齡變換、像素補充、跨光譜合成等。
赫然研究員總結(jié)他們的工作，首先是人臉合成，這是人臉分析里面比較重要的一部分，而人臉生成的目標是符合人的視覺認知。他們會在接下來的工作中力求越來越準確。
馮建江教授接著做了指紋識別的報告。他表示，指紋的唯一性和穩(wěn)定性非常好。隨著年齡的增長只會有些許變化，很適合用作識別。
首先指紋識別里面有三個模塊——圖像采集、特征提取和匹配。指紋采集分兩種，早期的離線采集即油墨采集，現(xiàn)在的在線采集即光學采集等。指紋特征的提取分為兩級，先提取第一級特征，在第一級特征的指引下提取第二級特征。在匹配階段進行一個帶方向的細節(jié)點匹配。
馮建江教授強調(diào)目前指紋識別的難題有低質(zhì)量指紋識別率太低、大數(shù)據(jù)庫下識別率和效率需要提高、理論極限不清楚、偽指紋難識別、模板不安全等。
馮建江教授著重介紹了低質(zhì)量指紋的識別問題。他們采取了指紋字典的方法，用高質(zhì)量指紋訓練字典。訓練出的字典里面有各種指紋脊線真實的方向場。在處理糟糕指紋的時候通過字典來選擇候選方向場，然后對比連續(xù)性來選出質(zhì)量比較好的方向場。這是全局字典。全局字典的壞處是容易在局部出現(xiàn)不可能圖案，于是馮建江教授又提出了局部字典。先通過全局字典生成指紋，再用局部字典進行修正。
指紋采集后就是細節(jié)點的提取以及扭曲場估計，扭曲場估計用來處理同一個人不同狀態(tài)指紋的差異問題。馮建江老師在扭曲場估計中一個比較重要的工作是稠密配置。
報告的最后馮建江教授表示使用深度學的方法來研究指紋識別，在低質(zhì)量指紋識別上較過去的傳統(tǒng)方法在性能上有了明顯改善。
孫劍、孫哲南、赫然、馮建江的 4 場精彩報告介紹如上，敬請期待雷鋒網(wǎng)AI 科技評論的后續(xù)報道。
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